Ultraljubičasta revolucija: Unutar nevidljivih strojeva od 150 milijuna dolara koji oblikuju budućnost mikročipova

Strojevi za ultraljubičastu litografiju koštaju više od 150 milijuna dolara svaki i veličine su autobusa.
Promatrači industrije najnoviju generaciju ovih alata nazivaju “strojevima koji su spasili Mooreov zakon” jer omogućuju moderne procesore najnovije generacije.
ASML je jedini dobavljač EUV litografskih sustava, pri čemu EUV alati koštaju oko 150–180 milijuna dolara svaki.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) prvi je uveo EUV u masovnu proizvodnju na svom 7nm+ (N7+) procesu 2019. godine.
Ekstremna ultraljubičasta litografija koristi svjetlost od 13,5 nm proizvedenu ispaljivanjem lasera velike snage na kapljice kositra kako bi se stvorila plazma koja emitira EUV zračenje, pri čemu potrošnja alata prelazi 1 megavat.
ASML je isporučio prvi High-NA EUV alat, EXE:5200, 2025. godine, koji podiže numeričku aperturu na 0,55 i cilja na oko 175 wafer-a na sat.
Prvi komercijalni EUV čipovi pojavili su se 2019. godine, s TSMC-ovim 7nm+ (N7+) procesom i Samsungovim 7LPP koji koriste EUV.
Izvozne kontrole blokiraju ASML-u prodaju EUV-a Kini, dok je prodaja ASML-a Kini 2024. iznosila oko 7 milijardi dolara, uglavnom od DUV alata.
Nikon i Canon povukli su se iz razvoja EUV-a; Nikon nastavlja isporučivati 193 nm imerzijske skenere, dok se Canon fokusira na nanoimprint litografiju NIL s probnim isporukama u 2024.
Samsungova DRAM memorija klase 14 nm koristi EUV na nekoliko slojeva, a Micron planira EUV za svoj sljedeći DRAM čvor.

Svaki moderni mikroprocesor – od čipa u vašem pametnom telefonu do CPU-ova koji pokreću AI u oblaku – nastaje pod ultraljubičastim svjetlom. Zapravo, neki od najnaprednijih proizvodnih strojeva na Zemlji usmjeravaju nevidljive ultraljubičaste lasere na silicijske wafer-e kako bi urezali nanoskalne sklopove koji omogućuju rad mikročipova. Ti strojevi koštaju više od 150 milijuna dolara svaki, veličine su autobusa i rade s gotovo znanstveno-fantastičnom složenošću – a ipak su nepoznati radni konji iza Mooreovog zakona i neprestanog napretka prema bržim, manjim i učinkovitijim procesorima ^[1], ^[2]. Promatrači industrije čak su najnoviju generaciju ovih alata nazvali “strojevi koji su spasili Mooreov zakon,” jer bi bez njih izrada najnaprednijih čipova bila praktički nemoguća ^[3]. Ovo izvješće ulazi u svijet ultraljubičaste litografije – u njezinim tradicionalnim duboko ultraljubičastim (DUV) i najnaprednijim ekstremno ultraljubičastim (EUV) oblicima – objašnjavajući kako funkcionira, zašto je toliko ključna za razvoj mikroprocesora i kamo ide dalje.

Ultraljubičasta litografija možda zvuči kao ezoterično inženjerstvo, ali njezin utjecaj je vrlo stvaran i vidljiv u našem svakodnevnom životu. Tiskanjem sve finijih uzoraka tranzistora na siliciju, UV litografija izravno omogućuje izvanredan tempo napretka tehnološke industrije. Kako je jedan tehnološki analitičar grubo rekao, “Mooreov zakon se zapravo raspada, i bez ovog stroja, gotov je. Ne možete zapravo napraviti nijedan vrhunski procesor bez EUV-a.”^[4] Drugim riječima, budućnost mikročipova – i svih uređaja i inovacija koje oni pokreću – sada ovisi o iskorištavanju svjetlosti na vrlo malim valnim duljinama. U nastavku ćemo objasniti kako ovo tiskanje pomoću svjetlosti funkcionira, kako se razvilo u najnoviju EUV tehnologiju, tko su glavni akteri (od nizozemskog proizvođača alata ASML do divova čipova poput TSMC-a, Samsunga i Intela), nedavna otkrića (poput strojeva za EUV sljedeće generacije i alternativnih tehnika) te što stručnjaci iz industrije govore o budućnosti.

Što je ultraljubičasta litografija?

U svojoj srži, litografija u izradi čipova slična je fotografiji na siliciju. Silicijska pločica premazuje se materijalom osjetljivim na svjetlost (fotoosjetljivi sloj), a stroj koristi fokusiranu svjetlost za projeciranje zamršenih uzoraka sklopova na tu pločicu kroz masku nalik šabloni. Uzorci odgovaraju sićušnim tranzistorima i ožičenjima koji čine mikroprocesor. Gdje god svjetlost padne, kemijski mijenja fotoosjetljivi sloj tako da se ta područja mogu urezivati ili obrađivati, dok prekrivena područja ostaju zaštićena. Ponavljanjem ovog procesa sloj po sloj s iznimnom preciznošću, proizvođači čipova grade složenu arhitekturu modernog integriranog kruga.

Ključ za rezoluciju u ovom “printanju” je valna duljina svjetlosti. Kao što finiji kist omogućuje umjetniku da slika sitnije detalje, kraća valna duljina svjetlosti omogućuje proizvođačima čipova da urezuju finije značajke. Desetljećima je industrija poluvodiča stalno težila kraćim valnim duljinama na elektromagnetskom spektru kako bi ispisivala sve manje tranzistore ^[5]. Rani čipovi iz 1960-ih koristili su vidljivu i dugovalnu UV svjetlost (g-linija na 436 nm, i-linija na 365 nm), ali do 1990-ih vrhunska tehnologija prešla je u područje dubokog ultraljubičastog zračenja s moćnim eksimerskim laserima na 248 nm (KrF) i kasnije na 193 nm (ArF)^[6]. Svjetlost na 193 nm – otprilike 1/5 valne duljine vidljive svjetlosti – postala je glavna za proizvodnju čipova tijekom 2000-ih i 2010-ih. Ova DUV (deep UV) litografija omogućila je minimalne značajke reda veličine ~50 nm i manje, osobito nakon uvođenja trikova poput imerzivnih leća i višestrukih ekspozicija ^[7]. Zapravo, “eksimerska laserska litografija” na 248 nm i 193 nm bila je toliko uspješna da je pokretala Mooreov zakon oko dva desetljeća, omogućujući da se veličine tranzistora nastave smanjivati, a gustoća čipova udvostručuje prema planu ^[8].

Međutim, do kasnih 1990-ih i ranih 2000-ih, inženjeri su znali da se približavaju zidu valne duljine s 193 nm svjetlom ^[9]. Za oblikovanje značajki mnogo manjih od ~40–50 nm, litografija s 193 nm morala je pribjeći sve zamršenijim metodama: egzotičnim optičkim trikovima, višestrukim uzorcima (izlaganje istog sloja nekoliko puta s pomaknutim maskama kako bi se postigla finija efektivna razmaknica), i drugim domišljatim zaobilaznim rješenjima ^[10], ^[11]. Ove tehnike su produžile život DUV alata (zapravo, proizvođači čipova su rastegnuli 193 nm sve do čvorova koji su se reklamirali kao 10 nm ili čak 7 nm koristeći dvostruko, trostruko ili četverostruko uzorkovanje), ali po cijenu ogromne složenosti, nižeg prinosa i vrtoglavo visokih troškova proizvodnje. Do sredine 2010-ih, bilo je jasno da se tradicionalni DUV muči ići dalje – industriji je trebao skok na kraću valnu duljinu svjetlosti kako bi se Mooreov zakon održao ^[12].

Duboko ultraljubičasta (DUV) litografija: Radni konj

Duboko UV litografija (koristeći ~248 nm i 193 nm lasere) bila je tehnologija radni konj za izradu čipova kroz mnoge generacije. DUV alati su zapravo izuzetno precizni sustavi projicirane slike: usmjeravaju UV laser kroz masku s uzorkom i niz redukcijskih leća kako bi bacili umanjenu sliku na silicijsku pločicu. Moderni 193 nm sustavi čak ispunjavaju razmak između leće i pločice ultra-čistom vodom (imenzijska litografija) kako bi učinkovito povećali numerički otvor leće i razlučili manje značajke ^[13]. Koristeći ove metode, 193 nm imerzijska litografija postala je sposobna ispisivati značajke daleko ispod svoje nominalne valne duljine – ali samo korištenjem tehnika za poboljšanje rezolucije i ponovljenih izlaganja. Na primjer, prije dolaska EUV-a, vodeći čipovi 7 nm čvora realizirani su DUV-om koristeći četiri odvojena koraka maskiranja za jedan sloj (četverostruko uzorkovanje) – zapanjujuće složen zadatak preciznog poravnanja.

DUV litografija je vrlo zrela i pouzdana. DUV uređaji tvrtki poput ASML-a, Nikona i Canona i dalje obrađuju većinu slojeva u proizvodnji čipova danas (čak i u najnaprednijim tvornicama, samo najkritičniji slojevi koriste EUV, dok se manje kritični slojevi i dalje izlažu višestrukim DUV ekspozicijama). Ovi strojevi su također značajno jeftiniji od najnovijih EUV uređaja – vrhunski imerzijski DUV skener može koštati oko 50–100 milijuna dolara, dok EUV uređaj stoji 150+ milijuna ^[14]. Kao rezultat toga, DUV uređaji ostaju nezaobilazni ne samo za čipove starijih generacija (gdje su veličine značajki veće i lakše za ispis), već i kao dopuna EUV-u u naprednim procesima. Zapravo, DUV prodaja i dalje čini većinu isporučenih jedinica litografskih uređaja svake godine ^[15]. Proizvođači čipova imaju ogromnu instaliranu bazu DUV skenera i veliko iskustvo u njihovoj upotrebi.

Međutim, unatoč stalnim poboljšanjima, 193 nm DUV je dosegao temeljno ograničenje u tome koliko se još mogao smanjiti bez neodrživog napora. Praktična rezolucija u optičkoj litografiji otprilike slijedi Rayleighov kriterij: minimalna veličina značajke ≈ k₁ · (λ/NA), gdje je λ valna duljina, a NA otvor leće. S λ fiksiranim na 193 nm i NA maksimalno oko 1,35 (imerzija), proizvođači čipova su stisnuli k₁ do njegovih teorijskih granica koristeći računalne trikove – ali da bi se nastavilo smanjivati veličinu značajki, i sama λ je morala biti manja. Oko 2019. vodeće tvornice poput TSMC-a i Samsunga komercijalno su uvele novi izvor svjetlosti za litografiju na 13,5 nm valne duljine – gotovo 15× kraće od DUV-ovih 193 nm ^[16]. Ovo je označilo početak ere ekstremne ultraljubičaste litografije.

Prijelaz na ekstremnu ultraljubičastu (EUV) litografiju

Ekstremna ultraljubičasta litografija (EUV) koristi svjetlost znatno kraće valne duljine – 13,5 nm, na granici između UV i X-zraka – za izlaganje čipova. Korištenjem ovog mnogo finijeg “kista”, EUV može isprintati mnogo manje tranzistore i značajke jednim izlaganjem, izbjegavajući mnoge zamršene višestruke korake uzorkovanja potrebne kod DUV na naprednim čvorovima ^[17]. U praktičnom smislu, EUV litografija omogućila je masovnu proizvodnju čipova u tehnološkim generacijama od 7 nm, 5 nm i 3 nm, s mnogo manje procesnih koraka i boljim prinosima nego pristup isključivo s DUV-om. Na primjer, tajvanski TSMC koristio je EUV na nekoliko ključnih slojeva počevši od svog 7 nm+ (N7+) procesa 2019. – prvi komercijalni proces koji koristi EUV ^[18] – a zatim opsežno za svoje 5 nm čvorove koji pokreću procesore poput Appleovih A15 i A16 Bionic čipova za pametne telefone ^[19]. Samsung je slično započeo masovnu proizvodnju s EUV-om početkom 2019. na svom 7LPP procesu i od tada koristi EUV za 5 nm pa čak i u proizvodnji memorijskih čipova^[20], ^[21]. Ovi potezi su promijenili igru: korištenjem svjetlosti od 13,5 nm, proizvođači čipova mogli su ispisivati značajke s jednostrukim uzorkovanjem koje su prije zahtijevale višestruke DUV prolaze, pojednostavljujući proizvodnju i omogućujući gušće pakiranje tranzistora nego ikad prije^[22].

Međutim, EUV litografija nije bila laka revolucija. Bilo je potrebno više od dva desetljeća istraživanja i oko 9–10 milijardi dolara ulaganja u istraživanje i razvoj da bi EUV postao održiv za proizvodnju velikih količina ^[23]^[24]. Izazovi su bili ogromni jer se svjetlost od 13,5 nm ponaša vrlo drugačije od svjetlosti od 193 nm. Prije svega, nijedan materijal nije proziran na 13,5 nm – ne možete koristiti refraktivne leće ili konvencionalne staklene maske. Umjesto toga, EUV sustavi koriste potpuno zrcalni optički sustav: niz precizno izrađenih višeslojnih zrcala s posebnim premazima koji reflektiraju svjetlost od 13,5 nm (svako zrcalo reflektira samo dio svjetlosti, pa s više zrcala intenzitet dramatično opada) ^[25]. Fotomaska je također reflektirajuća zrcalna podloga, a ne prozirna staklena ploča. Sve to mora raditi u vakuumu (zrak bi apsorbirao EUV). Ukratko, EUV skeneri su potpuna prerada optičkog sustava u odnosu na DUV alate, uključujući egzotičnu optiku i ekstremnu preciznost.

Zatim je tu izvor svjetlosti: kako uopće generirati visokointenzivno ultraljubičasto svjetlo valne duljine 13,5 nm? Odgovor zvuči kao znanstvena fantastika: EUV alati stvaraju svjetlost ispaljivanjem pulsirajućeg lasera velike snage na sićušne kapljice rastaljenog kositra, 50.000 puta u sekundi ^[26], ^[27]. Svaki puls lasera isparava kapljicu kositra u izuzetno vruću plazmu koja emitira EUV zračenje – u biti, minijaturna eksplozija nalik zvijezdi koja se događa unutar stroja. Ovi plazma bljeskovi proizvode željeno svjetlo od 13,5 nm zajedno s mnogo druge neželjene radijacije i ostataka, pa sustav mora filtrirati i prikupiti odgovarajuću valnu duljinu i zaštititi sve ostalo. EUV svjetlost se zatim fokusira zrcalnom optikom i usmjerava na wafer u određenim uzorcima. To je izuzetno neučinkovit proces u smislu generiranja svjetlosti (većina energije se gubi kao toplina), zbog čega laser koji napaja izvor mora biti nevjerojatno snažan. Izvor svjetlosti EUV skenera može trošiti oko >1 megavata snage kako bi isporučio dovoljan tok EUV fotona za proizvodnju velikih količina ^[28]. Za usporedbu, 193 nm eksimerski laser koristi tek djelić te snage. To objašnjava zašto EUV alati imaju ogromne zahtjeve za energijom i hlađenjem, i zašto alternativne tehnike poput nanoimprint litografije (koja uopće ne koristi lasere) ističu uštede energije od ~90% ^[29].

Složenost tu ne završava. Budući da su EUV fotoni toliko energični, mogu izazvati suptilne stohastičke učinke u fotoosjetljivom sloju (slučajne varijacije koje mogu uzrokovati defekte ako se ne ublaže), a EUV maske nije lako zaštititi uobičajenim pelikulama (razvoj posebnih EUV pelikula bio je još jedan višegodišnji napor). Svaki dio sustava – od vakuumskih stupnjeva, preko pozicionera wafer-a sa 6 stupnjeva slobode koji se kreću brzinom od nekoliko metara u sekundi, do inspekcije defekata na tim višeslojnim zrcalima – pomicao je granice inženjerstva. “To je vrlo zahtjevna tehnologija – po složenosti je vjerojatno u rangu s Projektom Manhattan,” izjavio je Intelov direktor litografije, ilustrirajući koliko je izazovno bilo razviti EUV ^[30].

Dugi niz godina, mnogi su stručnjaci sumnjali da će EUV ikada raditi na vrijeme. Glavni igrači Nikon i Canon odustali su od istraživanja EUV-a nakon što su naišli na previše prepreka, ostavljajući ASML (Nizozemska) kao jedinu tvrtku koja gura ovu tehnologiju naprijed^[31]^[32]. ASML-ova oklada se na kraju isplatila – ali ne bez pomoći. Godine 2012., prepoznajući stratešku važnost EUV-a, veliki proizvođači čipova Intel, TSMC i Samsung zajednički su uložili oko 4 milijarde dolara u ASML kako bi ubrzali razvoj EUV-a ^[33]. Do 2017. ASML je napokon predstavio EUV skener spreman za proizvodnju (model NXE:3400B), a do 2019. prvi komercijalni čipovi izrađeni EUV-om počeli su izlaziti ^[34]^[35]. Promatrači industrije proglasili su to prekretnicom – dugo odgađana EUV revolucija stigla je baš na vrijeme da produži razvojni put poluvodiča. Kako je MIT Technology Review primijetio, ASML-ov EUV alat je “željeni uređaj… koristi se za izradu značajki mikročipova malih kao 13 nanometara… ispunjen sa 100.000 sićušnih mehanizama… potrebna su četiri 747 aviona da se jedan isporuči kupcu” ^[36]. Ukratko, EUV skeneri su čuda moderne inženjerije koja koriste ultraljubičasto svjetlo na razini i složenosti kakva dosad nije viđena.

Zašto je UV litografija važna za mikroprocesore

Dobitak od sve ove složenosti je jednostavan: manji tranzistori i veće performanse čipova. Tiskanjem finijih značajki, proizvođači čipova mogu ugurati više tranzistora na isto područje (što obično znači više računalne snage ili nižu cijenu po čipu) i smanjiti električne kapacitete i udaljenosti koje signali moraju prijeći (što znači brže brzine preklapanja i manju potrošnju energije). Ovo je suština Mooreovog zakona – smanjivanje dimenzija tranzistora kako bi se više njih smjestilo u svaku generaciju čipova – a litografija je temeljni pokretač tog napretka ^[37], ^[38]. Kada čujete za novi čip za pametni telefon napravljen u “3 nm procesu” ili server CPU na “5 nm EUV tehnologiji”, ti brojevi uglavnom odražavaju mogućnosti napredne litografije za definiranje izuzetno malih značajki (iako su nazivi čvorova donekle marketinški, oni koreliraju s poboljšanjima gustoće koja je EUV omogućio).

Važnost ultraljubičaste litografije možda se najbolje ilustrira razmatranjem što bi se dogodilo bez tih napredaka. Da je industrija ostala samo na 193 nm DUV, proizvođači čipova bi možda ipak pronašli načine za izradu vrlo snažnih čipova – ali bi im trebalo toliko ponavljajućih procesnih koraka (i složenosti koja ubija iskoristivost) da bi troškovi drastično porasli, a napredak bi se znatno usporio. Doista, sredinom 2010-ih neki su predviđali skori kraj Mooreovog zakona jer je optička litografija dolazila do svojih granica. EUV je stigao baš na vrijeme da pruži novu slamku spasa. Vraćanjem jednostavnijeg uzorkovanja s jednom ekspozicijom na samom vrhu tehnologije, EUV je produžio plan razvoja smanjenja dimenzija za barem još nekoliko generacija. Mnogi od najnaprednijih današnjih čipova duguju svoje postojanje EUV-u. Na primjer, najnoviji Appleovi A-serije procesori za pametne telefone i M-serije Mac čipovi proizvode se u TSMC-u koristeći 5 nm EUV procese, što omogućuje broj tranzistora od desetaka milijardi i veliki skok u brzini i učinkovitosti u odnosu na prethodne generacije ^[39]. AMD-ovi Ryzen CPU-i i GPU-i, od kojih su mnogi izrađeni na TSMC 7 nm ili 5 nm EUV čvorovima, također uživaju u povećanju gustoće i uštedi energije. Čak i najnapredniji AI akceleratori i procesori za podatkovne centre – oni koji pokreću velike AI modele – oslanjaju se na EUV-bazirane 5 nm/4 nm procese kako bi gusto upakirali matrične matematičke jedinice i upravljali toplinskom snagom.

Nisu to samo logički čipovi. Memorijski čipovi također ubiru koristi od napretka u UV litografiji. Proizvođači visokoučinkovitog DRAM-a počeli su koristiti EUV za određene kritične slojeve u svojim najnovijim generacijama (npr. Samsungov DRAM klase 14 nm koristi EUV na nekoliko slojeva) kako bi povećali gustoću bita i poboljšali prinose ^[40]. Micron također uvodi EUV u svom sljedećem DRAM čvoru. Više EUV slojeva u memoriji znači više gigabita po čipu i nižu cijenu po bitu, što u konačnici znači više memorije u vašim uređajima za istu cijenu. Zapravo, ASML-ov izvršni direktor Peter Wennink istaknuo je da rastuća potražnja za AI-jem i podacima tjera proizvođače memorije na brzu primjenu EUV-a – “Proizvođači DRAM-a koriste više EUV slojeva na trenutnim i budućim čvorovima”, napomenuo je, što povećava potražnju za ovim alatima u cijeloj industriji ^[41].

Ukratko, UV litografija izravno utječe na mogućnosti mikroprocesora. Mogućnost izrade manjih tranzistora ne samo da omogućuje smještanje više jezgri ili više predmemorije na čip, već može i smanjiti snagu potrebnu za prebacivanje svakog tranzistora. Zato svaka nova generacija procesa često donosi 15–30% povećanje performansi i 20–50% smanjenje potrošnje energije pri istom dizajnu, ili alternativno omogućuje udvostručenje ili više gustoće tranzistora. Na primjer, TSMC-ov prijelaz s 7 nm (uglavnom DUV) procesa na 5 nm (EUV) donio je oko 1,8× povećanje gustoće logike i ~15% povećanje brzine pri istoj potrošnji ^[42]. Ta poboljšanja rezultiraju bržim pametnim telefonima, učinkovitijim podatkovnim centrima i napretkom u zadacima visokih performansi. Ultraljubičasta litografija je nevidljiva ruka koja urezuje ta poboljšanja u silicij. Kako je jedan industrijski direktor istraživanja sažeo: “Bez EUV-a ne možete zapravo napraviti nijedan vodeći procesor”^[43] – toliko je ključna za ostanak na krivulji napretka.

Trenutno stanje tehnologije i glavni igrači

Od 2025. godine, ultraljubičasta litografija nalazi se u središtu svake napredne tvornice čipova, a njome dominira nekoliko ključnih igrača i tehnologija. Evo pregleda trenutnog krajolika i glavnih sila koje ga pokreću:

ASML (Nizozemska) – Ključni igrač litografije. ASML je jedini dobavljač EUV litografskih sustava na globalnoj razini ^[44]. Krajem 2010-ih postao je prva (i jedina) tvrtka koja je komercijalizirala EUV skenere, nakon što su konkurenti odustali ^[45]. Njihovi EUV uređaji (svaki košta oko 150–180 milijuna dolara ^[46], ^[47]) koriste svi vodeći proizvođači čipova. ASML također proizvodi DUV skenere (gdje se natječe s Nikonom/Canonom za tržišni udio). Zahvaljujući EUV-u, ASML je izrastao u jednu od najvrjednijih svjetskih tvrtki za poluvodičku opremu – praktički držeći monopol nad najnaprednijom litografskom tehnologijom. Jedna vrhunska tvornica može trebati flotu od 10–20 ASML EUV strojeva, što predstavlja višemilijardnu investiciju. Do 2021. godine više od 100 EUV uređaja već je bilo u upotrebi ^[48], a taj broj i dalje raste kako TSMC, Samsung i Intel šire upotrebu EUV-a. (Posebno, izvozne kontrole trenutno sprječavaju ASML da prodaje EUV strojeve Kini, zbog njihove strateške važnosti ^[49].)
TSMC (Tajvan) – Pionir foundryja u EUV-u. TSMC je najveći svjetski proizvođač čipova po narudžbi i bio je prvi koji je uveo EUV u masovnu proizvodnju (njegov 7nm+ “N7+” čvor iz 2019. bio je prvi industrijski EUV proces) ^[50]. TSMC je od tada intenzivno koristio EUV za svoju 5 nm generaciju (2019.–2020.) i 4 nm/3 nm čvorove, proizvodeći čipove za Apple, AMD, Nvidiju i mnoge druge s vrhunskim prinosima. Korištenjem EUV-a na brojnim kritičnim slojevima, TSMC je postigao povećanje gustoće koje definira te čvorove. TSMC-ovo rano ovladavanje EUV-om glavni je razlog zašto je pretekao Intel u procesnoj tehnologiji posljednjih godina. Gledajući unaprijed, TSMC planira nastaviti koristiti trenutni EUV (0,33 NA) kroz svoje 3 nm, pa čak i 2 nm čvorove, te razmatra sljedeću generaciju EUV-a za kasnije ^[51]. (Zanimljivo, TSMC je naznačio da možda neće žuriti s usvajanjem prvih High-NA EUV alata za svoje procese u eri 2 nm oko 2027.–2028., radije čekajući dok ekonomika ne bude imala smisla ^[52].)
Samsung (Južna Koreja) – Usvajač za memoriju i logiku. Samsung je brzo usvojio EUV za logiku, najavivši 7 nm EUV proizvodnju već 2019. (njegovi Exynos mobilni procesori i neki Qualcomm Snapdragon čipovi koristili su ih). Samsung je također predvodio korištenje EUV-a u memoriji, postavši prvi koji je koristio EUV u izradi DRAM-a (za svoj 1z-nm DRAM čvor) i u V-NAND slaganju ^[53]. Samsungova EUV-fab linija u Hwaseongu je izlog, a tvrtka nastavlja ulagati u EUV i za svoj foundry i za memorijsko poslovanje. Kao i TSMC, Samsung je kupac ASML-ovog nadolazećeg High-NA EUV-a, iako izvještaji sugeriraju da Samsung još nije odlučio kada će te alate uvesti u proizvodnju ^[54]. U međuvremenu, Samsungovi trenutni vodeći procesi (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around tranzistori) svi koriste EUV za smanjenje koraka maskiranja. Samsung još uvijek proizvodi mnoge čipove koristeći DUV i starije alate, ali za vodeći rub u potpunosti koristi EUV.
Intel (SAD) – Utrka za povratak na vrh. Intel, koji je dugo bio lider u litografiji, suočio se s kašnjenjima na svojem 10 nm čvoru (koji je koristio napredno DUV višestruko uzorkovanje) i zbog toga je zaostao u usvajanju EUV-a. No, od tada je uložio velika sredstva kako bi nadoknadio zaostatak. Najnovije Intelove generacije procesa (pod nazivom “Intel 4”, “Intel 3”, otprilike ekvivalentno ~7 nm i ~5 nm klasi) koriste EUV litografiju za više slojeva – Intel 4, na primjer, koristi EUV u proizvodnji nadolazećih Meteor Lake procesora ^[55]. Intel je također bio rani investitor u ASML i osigurao je prioritetni pristup ASML-ovim High-NA EUV strojevima: 2023. godine primio je prvi High-NA EUV alat na svijetu (EXE:5000 serija) za istraživanje i razvoj, a predviđeno je da će prvi proizvodni High-NA alat (EXE:5200) dobiti do 2024.–2025. ^[56], ^[57]. Intel planira koristiti te High-NA EUV skenere za svoje 1,8 nm i 14Å-generacijske čvorove (vremenski okvir oko 2027.) kao dio svog ambicioznog plana za povratak liderske pozicije u procesima ^[58], ^[59]. S novim vodstvom na čelu, Intel otvoreno ističe svoje prihvaćanje EUV-a i čak usluge kao foundry koristeći EUV za izradu čipova za druge tvrtke u bliskoj budućnosti.
Nikon i Canon (Japan) – Veterani DUV-a, istražuju alternative. Nikon i Canon su nekada bili dominantni dobavljači litografskih uređaja (1990-ih je posebno Nikon prednjačio u najnaprednijim steperima). I dalje proizvode DUV litografske alate – zapravo, dugi niz godina Nikon je isporučivao strojeve Intelu i proizvođačima memorije. No, nijedna tvrtka nije isporučila EUV rješenje: obje su odustale od razvoja EUV-a nakon istraživanja ranih 2000-ih, prepustivši to tržište ASML-u ^[60]. Danas Nikon još uvijek prodaje 193 nm imerzijske skenere za masovnu proizvodnju (posebno korištene u tvornicama koje ne koriste najnovije tehnologije ili kao dopunski alati), dok se Canon fokusirao na specijalizirane niše poput nanoimprint litografije (NIL). Canonovi novi NIL strojevi pokušavaju mehanički “utiskivati” uzorke čipova i tvrde da su za red veličine jeftiniji i troše 90% manje energije od EUV alata^[61]^[62]. Canon je počeo isporučivati svoje prve NIL alate za probu 2024. godine ^[63]. Neki NIL vide kao potencijalno disruptivnu tehnologiju za određene primjene (mogla bi se koristiti uz konvencionalnu litografiju za jednostavnije slojeve ili memorijske uređaje), ali još nije dokazana za masovnu proizvodnju najgušće logike ^[64]. Za sada, Nikon i Canon ostaju značajni u DUV segmentu (i za starije čvorove), ali ASML ima efektivni monopol nad naprednom litografijom potrebnom za najmodernije mikroprocesore.
Kineske aspiracije – Smanjivanje zaostatka unatoč ograničenjima. Kina, koja ima velike tvornice čipova poput SMIC-a, trenutno nema pristup EUV tehnologiji – ASML nikada nije smio prodavati EUV skenere Kini zbog izvoznih ograničenja predvođenih SAD-om cnfocus.com. Čak je i prodaja najnovijih ASML-ovih DUV imerzivnih alata Kini sada podložna izdavanju dozvola nizozemske vlade od 2023. godine ^[65]. To je potaknulo kineske napore za razvoj domaće litografije. Vodeća kineska tvrtka za litografsku opremu, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), navodno je izradila strojeve sposobne za DUV litografiju klase 90 nm i 28 nm, ali još uvijek ništa blizu EUV-a (EUV uključuje ogroman ekosustav patenata i teških fizikalnih problema). Kao rezultat toga, kineske tvornice poput SMIC-a uspjele su proizvesti čip sličan 7 nm koristeći stariju DUV višestruku izradu uzoraka, ali i dalje zaostaju nekoliko generacija za vodećom tehnologijom koja zahtijeva EUV. Globalni tržišni trendovi stoga su duboko povezani s geopolitikom: litografski alati postali su strateška imovina. U 2024. godini, ASML-ova prodaja Kini (uglavnom DUV alati) iznosila je oko 7 milijardi dolara ^[66], ali budući rast je neizvjestan zbog pooštravanja izvoznih kontrola. U međuvremenu, potražnja snažno raste drugdje, pa ASML predviđa da će njegov EUV posao skočiti za oko 30% u 2025. unatoč mogućim preprekama vezanim uz Kinu ^[67], ^[68].

Izazovi i nedavni napreci

Iako je ultraljubičasta litografija omogućila izvanredan napredak, suočava se i sa značajnim izazovima koji potiču stalne inovacije. Evo nekoliko ključnih bolnih točaka i nedavnih napredaka koji ih rješavaju:

Trošak i složenost alata: Cijena EUV skenera (~150 milijuna dolara ili više po komadu) i njihova iznimna složenost podižu prag ulaska za proizvođače čipova ^[69]. Samo nekoliko tvrtki si može priuštiti velike flote ovih alata. Kako bi opravdali trošak, tvornice moraju imati visoku iskoristivost i visok prinos. Napredak: Alati sljedeće generacije High-NA EUV još su skuplji (više od 300 milijuna dolara po komadu) ^[70], ali obećavaju veći kapacitet i rezoluciju, što potencijalno smanjuje cijenu po tranzistoru. Dodatno, napori u strojnom učenju i računalnoj litografiji pomažu maksimizirati performanse svakog alata (poboljšanjem vjernosti uzorka i procesnih prozora).
Propusnost (brzina skenera): Rani EUV alati obrađivali su manje pločica na sat od svojih DUV pandana, dijelom zbog ograničene snage izvora i osjetljivije optike. Niska propusnost znači nižu produktivnost tvornice. Napredak: Snaga EUV izvora stalno se poboljšavala (današnji izvori prelaze 250 W, u odnosu na ~125 W u početnim proizvodnim alatima), a najnoviji EUV skeneri tvrtke ASML mogu izložiti ~160 pločica/sat u optimalnim uvjetima. Nadolazeći High-NA EUV sustavi imat će redizajniranu optiku s većom numeričkom aperturom 0,55 naspram 0,33, što poboljšava rezoluciju, ali u početku smanjuje veličinu polja. Kako bi to nadoknadili, ASML inženjeri rade na tome da ti alati u konačnici dosegnu ~185 pločica/sat propusnosti. Zapravo, ASML je upravo isporučio svoj prvi High-NA EUV model (EXE:5200) 2025. godine i navodi da će isporučiti povećanje produktivnosti od 60% u odnosu na trenutne EUV alate – otprilike 175 pločica/sat, što je usporedivo s DUV skenerima ^[71].
Defekti i prinos: Budući da EUV koristi reflektirajuće maske i radi u nanometarskim dimenzijama, kontrola defekata je izuzetno važna. Sitni defekti na maski ili čestice mogu se otisnuti na pločicu, a EUV fotootpornici i proces mogu pokazivati nasumične defekte (stohastička pitanja) ako nisu optimizirani. Napredak: Industrija je razvila zaštitne pelicule za maske za EUV (kako bi se čestice držale podalje od maske) nakon mnogo iteracija. Kemija fotootpornika također se razvija – novi materijali otpornika i tehnike podloga poboljšali su osjetljivost i hrapavost rubova linija. Proizvođači čipova izvještavaju da su početni problemi s prinosom kod EUV-a uglavnom prevladani, a stope defekata su usporedive s prethodnim čvorovima ^[72]. Ipak, istraživači nastavljaju usavršavati tehnologiju otpornika i maski (uključujući istraživanje metal-oksidnih otpornika i drugih novih pristupa za EUV).
Potrošnja energije: Kao što je spomenuto, EUV skeneri troše puno energije – svaki može povući reda veličine megavata električne energije između laserskog izvora, vakuumskih pumpi i rashladnih sustava ^[73]. To doprinosi znatnim operativnim troškovima i povećava ekološki otisak tvornica. Napredak: Alternativne metode litografije poput Nanoimprint imaju za cilj drastično smanjiti potrošnju energije (Canon tvrdi 90% manju potrošnju) ^[74]. Unutar samog EUV-a, inženjeri nastoje razviti učinkovitije izvore (npr. veću učinkovitost pretvorbe laserske energije u EUV svjetlost) kako bi budući alati proizvodili više svjetla uz manju ulaznu snagu. Čak i mali pomaci u učinkovitosti izvora ili reflektivnosti zrcala mogu donijeti značajne uštede energije na tisućama wafer-a.
Granice optičke rezolucije: Čak će i EUV na 13,5 nm na kraju dosegnuti granice skaliranja. Trenutni EUV alati (0,33 NA) mogu udobno raditi uzorke s razmakom od ~30 nm; izvan toga, bit će potrebna višestruka izlaganja ili High-NA EUV za ~2 nm čvor i manje. Napredak: High-NA EUV je zapravo sljedeći veliki korak – povećanjem NA leće na 0,55 s novim optičkim dizajnom (što, važno, zahtijeva novu 6-inch mask size i potpuno novu platformu alata), ti će sustavi moći razlučiti značajke ~30–40% manje ^[75]. ASML kaže da bi High-NA EUV mogao gotovo utrostručiti gustoću tranzistora na čipovima omogućujući finije značajke i gušće razmake ^[76]. Prvi High-NA EUV alati planirani su za pilot upotrebu kod Intela oko 2025.–2026., s ciljem masovne upotrebe do ~2028. ^[77]. Ovo proširenje trebalo bi industriju provesti kroz 2 nm, 1,5 nm i 1 nm čvorove (unatoč nazivima, to će uključivati razmake značajki u niskim desecima nanometara). Nakon toga, možda će biti potrebni drugi pristupi (poput “Beyond EUV” koncepata na još kraćim valnim duljinama ili revolucionarnih metoda uzorkovanja).
Alternativne tehnike litografije: Koncentracija ključnih mogućnosti litografije u jednoj tvrtki (ASML) i jednoj tehnologiji (EUV) potaknula je interes za alternativne ili pomoćne tehnike. Napredak: Osim Canonovog NIL-a, radi se na Directed Self-Assembly (DSA) – korištenju posebnih materijala koji se spontano formiraju u vrlo fine uzorke, što može nadopuniti litografiju za određene strukture. Drugi pristup je multiphoton ili kvantna litografija, koja je još uvijek uglavnom akademska. E-beam litografija (izravno ispisivanje elektronskim zrakama) koristi se za izradu maski i prototipova, ali je prespora za masovnu proizvodnju. Ipak, tvrtke istražuju višezračne e-beam alate za nišno uzorkovanje. Ako ove alternative sazriju, jednog bi dana mogle smanjiti opterećenje optičke litografije ili smanjiti troškove za neke slojeve. Za sada su to „lijepo je imati” istraživanja, dok optička UV litografija ostaje nezamjenjiva osnova.

Stručni uvidi i buduće perspektive

Konsenzus među industrijskim stručnjacima je da će ultraljubičasta litografija i dalje biti ključna za proizvodnju čipova u doglednoj budućnosti, iako uz stalnu evoluciju. „Stalno inženjeriramo i razvijamo… postoji strma krivulja učenja za nas i naše kupce,” rekao je glasnogovornik ASML-a o uvođenju High-NA EUV-a, naglašavajući da svaki novi iskorak (poput High-NA) zahtijeva opsežno fino podešavanje ^[78]. Analitičari također upozoravaju da će isplativost voditi usvajanje: „Iako će neki proizvođači čipova možda ranije uvesti [High-NA EUV] radi tehnološkog vodstva, većina ga neće usvojiti dok to ekonomski ne bude imalo smisla,” napomenuo je Jeff Koch iz SemiAnalysis, predviđajući da će većina pričekati do otprilike 2030. kada će njegova prednost opravdati trošak^[79]. Kao odgovor, izvršni direktor ASML-a Peter Wennink inzistira da će se vrijednost High-NA pokazati ranije: „Sve što vidimo kod kupaca je da je High-NA jeftiniji [za njih]” u postizanju sljedeće razine skaliranja ^[80]. Ovaj optimističan pogled sugerira da bi, kako složenost raste, naprednija litografija zapravo mogla smanjiti ukupne troškove uklanjanjem dodatnih procesnih koraka.

Ne može se dovoljno naglasiti središnja uloga ASML-a – što nije promaklo vladama. U svijetu u kojem vrhunski čipovi donose ekonomske i vojne prednosti, litografska oprema postala je strateška imovina. Nizozemska vlada (uz potporu SAD-a) strogo je ograničila ASML-ov izvoz naprednih alata u Kinu ^[81], potez usmjeren na “osujećivanje kineskih ambicija u poluvodičima”^[82]. To je dovelo do podjele u globalnom lancu opskrbe čipovima: najnapredniji logički čipovi trenutno se proizvode samo na nekoliko mjesta (Tajvan, Južna Koreja i uskoro SAD putem TSMC/Intel tvornica), svi koristeći ASML-ove EUV strojeve. Kina snažno ulaže kako bi sustigla starije tehnologije i razvila domaću litografiju, ali stručnjaci procjenjuju da bi moglo proći mnogo godina prije nego što se približe ravnoteži, ako se to uopće dogodi, s obzirom na velike prepreke u znanju i intelektualnom vlasništvu.

U međuvremenu, potražnja za UV litografskim alatima naglo raste u skladu s procvatom poluvodiča. Rast umjetne inteligencije i računalstva visokih performansi tjera vodeće tvornice na proširenje kapaciteta. ASML-ove narudžbe za EUV alate dosegle su rekordne razine – u jednom nedavnom tromjesečju narudžbe su narasle na 10 milijardi dolara, uglavnom za buduće EUV i High-NA sustave ^[83]. Tvrtka predviđa da će prihodi povezani s EUV-om skočiti za ~40–50% u 2025. ^[84], što će pomoći povećanju ukupne prodaje unatoč sporijoj potražnji iz segmenta memorije ili Kine ^[85]. Drugim riječima, tržište vrhunske litografije je snažno i raste, a ASML očekuje isporuku još desetaka EUV jedinica svake godine. Do 2030. High-NA EUV će vjerojatno biti široko rasprostranjen, a razgovori će se voditi o tome što dolazi nakon EUV ere.

Što bi moglo uslijediti? Neki istraživači govore o “Beyond EUV” – možda korištenje još kraćih valnih duljina u području mekih X-zraka (~6–8 nm) ili projekcijske litografije elektronima/ionima – ali svaki od tih puteva suočava se s ogromnim fizikalnim izazovima. Za sada je strategija industrije izvući maksimum iz EUV-a: najprije uvođenjem High-NA EUV za još 1–2 generacije smanjenja, te kombiniranjem EUV-a s pametnom integracijom procesa (kao što su čiplet arhitekture i 3D slaganje, koje ublažavaju potrebu za monolitnim 2D smanjenjima). Litografija će ostati mješavina tehnika: DUV ne nestaje (koristit će se zajedno s EUV-om), a nove metode poput nanoimprinta možda pronađu svoju nišu kao dopuna glavnim procesima ako se pokažu uspješnima. No, svaka radikalna promjena u odnosu na optičku litografiju vjerojatno bi zahtijevala i promjenu paradigme u dizajnu čipova – nešto što još nije na vidiku za proizvodnju velikih količina.

Riječima predsjednika TSMC-a Marka Liua, poluvodička industrija je “radila u tunelu” s jasnim ciljem desetljećima: smanjivati, smanjivati, smanjivati ^[86]. Ultraljubičasta litografija bila je svjetlo koje vodi tim tunelom. Počelo je s živinim lampama i primitivnim UV-om, nastavilo se s excimer duboko-UV laserima koji su nas nosili više od 20 godina ^[87], a sada smo stigli do dobe ekstremnog UV-a, produžujući tunel još dalje. Putovanje je bilo sve samo ne lako – obilježeno trenucima trijumfa i čestim sumnjama – no rezultat je zapanjujući: milijarde struktura širokih svega nekoliko desetaka atoma, savršeno iscrtane preko velikih wafer-a, omogućujući računalne podvige koji su prije generaciju izgledali nemoguće.

Gledajući unaprijed, razvoj mikroprocesora više je nego ikad isprepleten s litografijom. Performanse i mogućnosti sljedećih CPU-a, GPU-a i AI akceleratora uvelike će ovisiti o tome koliko fino i pouzdano možemo ispisivati njihove značajke. Ultraljubičasta litografija je glavni alat koji to omogućuje. Stručnjaci iz industrije optimistični su da će uz nastavak inovacija – od High-NA optike do pametnijeg softvera i možda nekih nekonvencionalnih ideja poput NIL-a ili DSA – litografija nastaviti isporučivati rezultate. Izvršni direktor ASML-a čak sugerira da je plan za EUV i njegove nadogradnje čvrst za sljedeće desetljeće, dajući proizvođačima čipova jasan prostor za daljnja poboljšanja. Globalni tržišni trendovi pokazuju zdrav rast i žestoku konkurenciju, ali i okupljanje oko nekoliko ključnih tehnologija i dobavljača.

U sažetku, svijet ultraljubičaste litografije je spoj vrhunske fizike i inženjerstva s visokim ulozima u ekonomiji i strategiji. Možda djeluje u nevidljivom području UV svjetla, ali njegov je utjecaj itekako vidljiv u obliku sve snažnijih mikroprocesora iz godine u godinu. Sljedeći put kad čujete za novo “nanometarsko” čipovsko dostignuće, sjetite se ultraljubičaste revolucije koja radi u pozadini. Od dubokog UV-a do ekstremnog UV-a i dalje, ove tehnologije doista oblikuju budućnost mikročipova – urezujući nove retke u priču o ljudskom tehnološkom napretku, jednim bljeskom fotona u isto vrijeme.

Izvori

C. Thompson, “Unutar stroja koji je spasio Mooreov zakon,” MIT Technology Review, 27. listopada 2021. ^[88]^[89]
Wikipedia, “Fotolitografija – Najsuvremeniji alati danas koriste 193 nm duboke UV ekscimer lasere” ^[90]
M. Chaban, “Osvjetljavanje puta: Kako je ASML oživio Mooreov zakon,” Google Cloud Blog, 28. ožujka 2023. ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), “Istraživanje budućnosti EUV litografije i dalje,” 4. studenog 2024. ^[93]
T. Sterling, “Intel naručuje ASML sustav za više od 340 milijuna dolara u potrazi za prednošću u proizvodnji čipova,” Reuters, 19. siječnja 2022. ^[94]
T. Sterling, “ASML-ov sljedeći izazov s čipovima: lansiranje novog ‘High NA EUV’ stroja vrijednog 350 milijuna dolara,” Reuters, 9. veljače 2024. ^[95]
TrendForce News, “ASML potvrđuje prvu isporuku High-NA EUV EXE:5200…,” 17. srpnja 2025. ^[96]
T. Sterling, “Nizozemska vlada isključuje većinu ASML-ove prodaje Kini iz izvoznih podataka,” Reuters, 17. siječnja 2025. ^[97]
A. Shilov, “Nova tehnika izrade čipova ‘štancanjem’ koristi 90% manje energije od EUV-a,” Tom’s Hardware, 31. siječnja 2024. ^[98]
Samsung Newsroom, “Samsung Electronics započinje masovnu proizvodnju na novoj EUV liniji,” veljača 2020. ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), “7nm FinFET Plus (N7+) tehnologija – Prva koja koristi EUV (2019)” ^[100]
S&P Global Market Intelligence, “ASML spreman za oporavak potaknut umjetnom inteligencijom dok potražnja za EUV i High-NA naglo raste,” rujan 2023. ^[101]

How Samsung’s Extreme Ultraviolet unlocks the next generation of chips | Engadget Today

Watch this video on YouTube.

References